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M87*

Actualité

Thème : Trous noirs supermassifs

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Voilà quelques jours maintenant que l'ESO, European Southern Observatory ou Observatoire Européen Austral en français, nous tient en haleine avec l'annonce d'une information inédite sur l'observation d'un trou noir supermassif et la diffusion de la toute première photo d'un trou noir !
Et bien, ça y'est, on l'a !

Jusqu'à la dernière minute, le secret a été bien gardé et nous pensions, peut être même pour beaucoup, observer Sagittarius A*, le trou noir supermassif au centre de notre galaxie. Mais non ! C'est le monstre cosmique de la galaxie Messier 87 qui s'est laissé attraper.

Les trous noirs, des objets singuliers

Un trou noir supermassif est un objet céleste pesant des milliards de Soleils. Cette masse est confinée en un point infiniment petit de l'espace, appelé "singularité".
Ils sont si massifs, que toute lumière ou matière s'en approchant de trop près n'a plus aucune possibilité de s'en échapper.

Par "trop près", on entend : au niveau de ce que l'on appelle "l'horizon des événements". Cet horizon définit la "limite" critique de non retour. Une fois dépassée, impossible de faire marche arrière : le trou noir happe tout.

Vue d'artiste d'un trou noir et de son horizon des événements

@Wikipédia, VUE D'ARTISTE d'un trou noir et de son horizon des événements

Comme il est impossible d'observer un trou noir, des théories sont nées afin de leur approprier une forme et d'en comprendre les mécanismes.

Le physicien théoricien américain John Wheeler a notamment démontré le théorème dit "de la calvitie" ("No-hair theorem" en anglais) énonçant qu'un trou noir est définit uniquement par sa masse, sa charge électrique et son moment cinétique, c'est-à-dire, sa façon d'être en rotation autour de lui-même.

En prenant en considération ces trois paramètres, quatre types de trous noirs sont mis en exergue : le trou noir de Schwarzschild, celui de Reissner-Nordström, le trou noir de Kerr et le trou noir de Kerr-Newman. Ces différentes configurations sont classifiées par la capacité de l'objet à être en rotation ou fixe, d'être chargé électriquement ou non, et dépendent de sa masse.

Le désir de démontrer la théorie par l'observation s'est d'abord exercé au travers d'observations indirectes, palliant à l'invisibilité de ces objets compacts.

Observations indirectes, première lumière sur les trous noirs

C'est dans les années 1990 que les premières tentatives fructueuses voient le jour. La mise en évidence d'une augmentation massive du nombre d'étoile au centre de la galaxie d'Andromède pourrait résulter de la présence d'un corps à l'attraction extrême, concentrant les étoiles autour de lui. Les précisions sur les mesures et observations n'étaient cependant pas suffisantes pour assurément affirmer la présence de ce trou noir supermassif.

En 1994, le télescope Spatial Hubble (HST) s'intéresse à M87, une galaxie elliptique géante, possédant de grands jets lumineux. Avec sa résolution de pointe : donc sa capacité à observer les détails, le HST nous a montré le disque de gaz entourant le trou noir central, M87*. Il met également en évidence une rotation du disque de matière qui l'entoure, grâce à l'effet Doppler : un décalage en longueur d'onde. La lumière émise ou réfléchie par la matière peut rayonner dans différentes longueurs d'ondes, définissant la façon dont celle-ci se déplace dans le milieu ambiant. Cette longueur d'onde se décale lorsque la matière se déplace. Il est possible de mesurer les changements de longueurs d'ondes et ainsi de mettre en évidence le mouvement de la matière.

La lentille gravitationnelle, autre mesure indirecte observée pour la première fois en 1979, a permise de localiser ce que l'on appelait à l'époque des candidats trous noirs. Cette lentille consiste en la déformation d'un objet lumineux lointain causée par la présence d'un corps très compact, situé entre la source de lumière et l'observateur.rice.

Représentation d'artiste d'une lentille gravitationnelle

@Wikipédia, Représentation d'artiste d'une lentille gravitationnelle

En 2015, la toute première détection des ondes gravitationnelles a permise aux trous noirs de passer de "candidats" à "existants". Cette onde propulsée par la fusion de deux trous noirs fût une première révolution dans l'avancée de la compréhension des ces ogres cosmiques.

Malgré ces nombreux travaux très importants sur l'identification et l'explication des mécanismes des trous noirs, jamais dans l'histoire de l'astrophysique nous n'avions palpé la joie de pouvoir observer une photo de ces objets si mystérieux, si contre-intuitifs. C'est là que l'Event Horizon Telescope de l'ESO entre en jeu...

Les apports de l'Event Horizon Telescope

Le télescope "Event Horizon" (EHT : Event Horizon Telescope) est une collaboration internationale regroupant huit télescopes disposés sur plusieurs continents. Cette communauté de télescopes fonctionnant main dans la main fournit un instrument virtuellement aussi grand que la Terre, permettant l'accès à des détails jamais atteints jusqu'à aujourd'hui.
Le but initial de cette collaboration est de prendre la toute première photo du trou noir Sagittarius A* au centre de notre galaxie, la Voie Lactée. Cependant, la quantité de lumière est telle que cette avancée technique et instrumentale n'a pas pu être réalisée. Cependant, l'ESO reste confiante sur cette possibilité prochaine.

C'est alors M87*, le trou noir supermassif au centre de la galaxie Messier 87, qui devient la cible des télescopes, et l'ESO nous fournit la toute première photo de l'horizon des événements d'un trou noir !

Première photo de l'horizon des événements d'un trou noir supermassif par l'ESO

@ESO, Première photo d'un trou noir par l'Event Horizon Telescope

Comme évoqué pour le cas des observations indirectes citées au-dessus, l'observation de ce monstre cosmique s'effectue dans une longueur d'onde différente de celle que nos yeux peuvent capter : les instruments constituants l'Event Horizon Telescope observent M87* dans le domaine radio.

Ce mercredi 10 Avril, c'est une prouesse extraordinaire qui nous a été dévoilée. Fournir cette toute première image de l'horizon des événements d'un trou noir supermassif a permis de rendre réel un objet céleste si longtemps resté théorique. Les observations ont confirmé ces théorie par la similarité entre les photos tant attendues (image ci-dessus) et les simulation théoriques effectuées en amont (image ci-dessous).

Simulation de M87 et de l'horizon des événements. A gauche, modélisation "brute". A droite, modélisation dans laquelle on a ajouté les erreurs, le bruit, les impuretés d'image de l'EHT.

@ESO, comparaison de la photo et des modèles pour M87*

Ces images permettent également aux chercheur.e.s de se diriger avec un peu plus d'assurance vers l'hypothèse d'un trou noir dit de Kerr. Il tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, rotation qui serait à l'origine des flux d'énergie très puissant éjectés au niveau des pôles du trou noir.

Il y a encore beaucoup d'incertitudes autour de cette découverte. Cependant, elle a permis l'ouverture de nouvelles voies d'exploration dans la recherche des objets compacts. D'une part, en relativité générale d'Einstein en champ fort, c'est-à-dire proche d'objets très massifs. D'autre part, pour la compréhension des processus d'accrétion et de jets de matière à proximité de ces ogres célestes, remise en jeu.

Ces trous noirs sont-ils toujours en rotation ? Est-ce la matière de l'horizon des événements et le disque environnants qui tournent ou le trou noir lui-même ? Combien y-en a t'il ? Sont-ils tous de la même nature ? Évoluent-ils tous de la même manière ?
Tant de questions sans réponses, mais dont on s'approche désormais à grand pas, grâce à cette photo hors du commun.

Nathalie Bauchet

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